Обзор решений в сфере микроэлектромеханических датчиков движения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

понентов можно получить в основном методами порошковой металлургии, требующими не только прессования, но и спекания. Далее мы в своем исследовании будем их называть бинарными.

В 195 6 году в Советском Союзе была опубликована статья Ю.Н. Рябинина, в которой приведены исследования, показывающие, что в результате взрывного воздействия в обрабатываемом материале происходят физико-механические превращения материалов [5]. Этот период считается началом развития нового научного направления - химии ударных волн (химии ударно-волнового сжатия): сварка металлов взрывом, прессование порошков, получение алмазов и других композитов. Началась эра взрывного материаловедения.

Так, в 1960 году в Волгоградском государственном техническом университете получили развитие исследования по проблеме использования энергии взрыва для создания материалов с новыми свойствами [3,7].

В 197 0 году в этом вузе разработаны технологические основы использования взрывной обработки в порошковой металлургии, сформулированы принципы получения различных композиционных материалов, биметаллов и других слоистых материалов. В 1972 году разработаны и внедрены в производство металлополимерные материалы с применением энергии взрыва с уникальными функциональными свойствами.

Научные исследования по взрывной обработке материалов в Волгоградском государственном техническом университете развивались в следующих направлениях: создание многослойных материалов нового поколения - слоистых интерметаллидных композитов; получение и использование активированных взрывом полимерных порошков и керамико-полимерных композитов с уникальными служебными свойствами; получение из труднодеформируемых по-

рошков методами взрывных технологий новых материалов, обладающих совершенно новыми функциональными свойствами. Все эти работы получили известность не только в СССР, но и за рубежом: США, Чехословакии, Югославии, Индии [7].

На сегодняшний день можно констатировать, что значительных успехов по взрывной обработке различных материалов достигли ученые Пензенского государственного университета, в том числе и по взрывной обработке при получении керамических и полимерно-керамических пьезочувствительных материалов.

Разработке научных основ технологических процессов взрывного прессования порошковых материалов, изучению их структуры, функциональных свойств, посвящено множество научных работ: диссертаций (докторских и кандидатских), патентов, изобретений, монографий, статей, учебных пособий, книг и других изданий.

На кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение» создана концепция управления структурой и свойствами сегнетокерамических материалов; математическая модель взрывного прессования порошков скользящей ударной волной; впервые показана возможность управления фазовым составом сегнетокерамических материалов систем цирконат - титанат свинца и цирконат - титанат кремния без изменения их стехиометрических составов. Диссертационные работы А.Е. Розена, О.Н. Логинова и других авторов, в основу которых заложены труды руководителей новых научных школ Анцифирова В.Н., Атрощенко Э.С., Бацанова С.С., Дорофеева Ю.Г. и др. [2,6].

Рамки данной статьи не позволяют охватить в полной мере тот научный, теоретический и практический объем исследований, его глубину и ценность для науки и практики в целом для страны и мирового сообщества. Нужны глобальные долгосрочные исследования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адаменко, Н.А. Взрывная обработка металлополимерных композиций / Н. А. Адаменко, А. В. Фетисов, А. В. Катуров // ВолгГТУ, - Волгоград, 2007. - 240 с.

2. Логинов О.Н. «Получение керамических и полимерно - керамических материалов на основе цирконата - титаната свинца взрывным нагружением». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Пенза, ПГУ, 2003 - 26 с.

3. Научные школы Волгоградского государственного технического университета: История стнновления и развития (под ред. И. А. Новакова, В. И. Лысака. - Волгоградского государственного университета "Издатель" , 2000. - 296 с.

4. Проектирование взрывных работ М. "Недра", 1974, 328 с. Авт: Б. Н. Кутузов, Ю. К. Валухин, С. А. Давыдов.

5. Р. Прюммер. Обработка порошкообразных материалов взрывом: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990.- 120

с.

6. Розен А.Е. «Разработка научных основ технологических процессов взрывного прессования, формирование структуры и свойств сегнетокерамических материалов». Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - Волгоград, Волгоградский государственный технический университет, 1999 г. - 270 с.

7. 70 лет Волгоградскому государственному техническому университету. 1930 - 2000 г. г. (Исторический очерк) / Коллектив авторов, науч. ред. И. А. Новаков / ВолгГТУ, Волгоград, 2000 - 240 с.

УДК 621.396.7

Жихарев К.В., Кочегаров И.И., Юдин А.А., Самаров2 В.В., Васильев А.С., Романенко3 Ю.А.

!фГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия

2ООО «16 НИИЦ», Россия, г. Мытищи

3Филиал ВАРВСМ им. Петра Великова, г. Серпухов

ОБЗОР РЕШЕНИЙ В СФЕРЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДВИЖЕНИЯ

В работе рассмотрены предложения производителей микроэлектроники в сфере датчиков движения, их типичные применения, раскрыты основные параметры таких устройств, а также проведено сравнение схожих по характеристикам устройств

фоны, генераторы электроэнергии, интерферомет-рические модуляторы, оптические переключатели, датчики давления. Наиболее широкое распространение получили акселерометры и гироскопы, выполненные по МЭМС-технологиям. Применяются они, в основном, для получения информации о положении некоторого устройства, поэтому будем называть их датчиками движения. Также такие датчики нашли своё применение в цифровых камерах, в контроллерах подушек безопасности автомобиля, в квадро-коптерах, игровых приставках, в робототехнике, носимых устройствах.

Некоторый выигрыш в точности определения положения устройства даёт совместное использование

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - системы, основанные на внедрении механических составляющих в микроэлектронные изделия. В основу функционирования таких систем положены различные физические принципы, такие как эффект Холла, закон Гука, пьезоэлектрический эффект и т.п. Несмотря на кажущиеся принципиальные отличия от обыкновенных однокристальных интегральных микросхем, методы их изготовления аналогичны - технологии микрообработки, включающие в себя литографию, травление т.д.

На основе МЭМС-технологий удаётся сделать множество различных устройств, такие как микро-

трёхосевых гироскопа и акселерометра. По отдельности эти устройства имеют «слабые места». К примеру, стоит задача определения наклона устройства относительно земли. При использовании только лишь гироскопа, появляется риск накопить погрешность измерений скорости вращения. (На этом моменте необходимо сделать небольшое отступление и сообщить, что под гироскопом мы понимаем устройство, которое чувствительно к вращению, а не классический роторный гироскоп, способный сохранять неизменное положение оси вращения.) В случае использования только лишь акселерометра может получиться следующее: при воздействии внешних сил на устройство, равнодействующая сил может не совпасть с направлением действия силы тяжести, что может быть интерпретировано как наклон, хотя устройство не вращалось. Совместная обработка данных гироскопа и акселерометра спасает от подобных проблем. Для производителей интегральных схем давно опробовано решение объединения акселерометра и гироскопа в так называемые «шестиосевые датчики». Также распространены случаи, когда к акселерометру и гироскопу добавляют магнетометр - компас. Это решение позволяет точнее определять положение устройства в пространстве, а именно -относительно линий напряжённости магнитного поля земли.

Рынок предлагает значительную номенклатуру датчиков движения, которые, не редко, качественно и количественно различаются своими параметрами. Рассмотрим подробнее некоторые параметры датчиков движения, на которые стоит обратить внимание при подборе необходимого решения.

Потребление тока. Этот параметр играет одну из ключевых ролей при проектировании аккумуляторных устройств. Фирма STMicroelectronics предоставляет на выбор чипы со средними токами потребления о 9 мкА до 2,5 мА для трёхосевых акселерометров и от 1,4 до 6,1 мА для гироскопов. Шестиосевые датчики от InvenSense потребляют от 2,8 мА до 3,2 мА. Kionix заявляет о 45 мкА как о высшей границе потребления тока шестиосевыми датчиками его производства. Широкий выбор в этой сфере предоставляет AnalogDevices - самое экономное предложение среди его линейки датчиков движения потребляет всего 1,8 мА, а самое большое потребление энергии у датчика ADIS16228 - 40 мА. Все значения были взяты для самого производительного режима работы. У некоторых датчиков имеется режим сниженного потребления тока, который характеризуется повышенным уровнем шумов

выходного значения. Также, некоторые микросхемы могут уходить в «спящий режим» с минимальным потреблением энергии.

Тип выходного сигнала. Большинство датчиков преобразовывают ускорение с помощью встроенных АЦП в цифровой сигнал, передача которого происходит чаще всего по шине SPI или I2C либо, имеется возможность выбора между этими способами. Реже встречаются варианты с широтно-импульсной модуляцией или с PSI5 интерфейсом. Однако, бывают устройства, выдающие выходной сигнал в аналоговом виде, как, например, датчики серии FXLN83xxQ от NXP.

Чувствительность датчика. Датчики ускорения и поворота различаются по диапазонам воспринимаемых значений. Часто, датчики имеют настраиваемый диапазон воспринимаемых значений. Типичные диапазоны воспринимаемых значений для ускорений: от ±2 g до ±16g. Существуют и датчики, рассчитанные на работу в области больших ускорений, такие как устройства серии H3LISxxxDL от STMicroelectron-ics, способные распознавать ускорения от ±100 до ±400 g. Типичные значения, воспринимаемые гироскопом, разнятся от 200 °/с до 2000 °/с.

Выходное разрешение. В случае если, всё же, выход цифровой, то он имеет такую характеристику как разрешение. Типичные значения от 8 до 16 бит. В совокупности с чувствительностью датчика, разрешение определяет значение младшего бита. Низкое разрешение может вносить погрешность квантования, однако повышение разрешения не даст большого выигрыша из-за присутствующих шумов выходного значения.

Для проведения измерений повышенной точности следует обращать внимание на такие характеристики как степень нелинейности выходного параметра от измеряемой величины, степень отклонения осей датчика от строго перпендикулярного положения, коэффициент влияния температуры на отклонение нуля в показаниях датчика.

Стоимость. Цена на шестиосевые решения от TDK InvenSense варьируется от $2 до $4,67. Предложения от AnalogDevices начинаются с $1,15 и до $6,33. Специфические характеристики, такие как повышенные температурные пределы могут многократно повысить цену датчика. К примеру, ADXL2 0 6 с устойчивостью к температурам до 175 °С обойдётся в $489. Ценовой диапазон для трёхосевых акселерометров от NXP - от $0,53 до $2,02. Предложения от STMicroelectronics начинаются с $0,43 и до $3,2. Также существуют специальные датчики с особыми свойствами.

Акселерометры

Датчик NXP AnalogDevices TDK InvenSense ST Microelectronics

FXLS8471Q ADXL312 ICM-20602 LIS3DSHTR

Потребление тока, мкА До 24 0 До 300 До 300* До 225

Уровень шумов выходного 99-10-6 340-10-6 100 -10-6 150 -10-6

значения (среднее), g

Диапазон измеряемых уско- ±2/ ±4/ ±8 ±1, 5/ ±3/ ±6/ ±2/ ±4/ ±8/ ±16 ±2g/ ±4g/ ±6g/ ±8g/

рений, g ±12 ±16g

Выходной сигнал SPI/I2C SPI/I2C SPI/I2C SPI/I2C

Разрешение 14 bit 10 - 13 bit 16 bit 16 bit

Рабочий температурный -40 °С; +85 -40 °С; +105 -40 °С; +85 °С -40 °С; +85 °С

диапазон, (мин; макс) °С °С

Частота обновления дан- До 800 До 3200 До 8000 До 1600

ных, Гц

Цена, $ 0,96 3,33 2,01 1,17

Гироскопы

Датчик NXP FXAS21002C AnalogDevices TDK InvenSense ST Microelec-

ADIS16260 ICM-20602 tronics L3GD20H

Потребление тока, мА 2,7 41 До 2,53* 5 (среднее)

Уровень шумов выходного 0,025 0,044 0,004 0,011

значения (среднее), °/с

Диапазон измеряемой ±250/ ±500/ ±80/ ±160/ ±320 ±250/ ±500/ ±245/ ±500/ ±2000

скорости вращения, °/с ±1000/ ±2000 ±1000/ ±2000

Выходной сигнал SPI/I2C SPI SPI/I2C SPI/I2C

Разрешение 16 bit 12 bit 16 bit 16 bit

Рабочий температурный -40 °С; +85 °С -40 °С; +105 °С -40 °С; +85 -40 °С; +85 °С

диапазон, (мин; макс) °С

Частота обновления дан- До 800 До 204 8 До 8000 До 757

ных, Гц

Цена, $ 1,71 40 2,01 3,3

* TDK InvenSense ICM-20602 является шестиосевым датчиком, то есть сочетает в себе гироскоп и акселерометр, поэтому находится сразу в двух таблицах. Ток потребления указан для режимов, когда используется только акселерометр и только гироскоп соответственно.

При разработке устройства, использующего информацию о положении в пространстве, следует обратить внимание на микроэлектромеханические системы. К их использованию могут подтолкнуть следующие их свойства: занимают мало пространства, их стоимость не выбивается из типичных значений для интегральных микросхем, рыночное предложения обладают большим разнообразием различных параметров.

УДК 621.396.7

Бопатърев1 А.А., Ермолаев1 А.С., Саменков1 Е.В., Баннов1 В.Я., Романенко2 Ю.А.

гФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия

2Военная академия РВСН им.Петра Великого (Серпуховский филиал), Серпухов, Россия ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНИЙ СВЯЗИ И КОНСТРУКЦИИ ЭКРАНОВ

Ключевые слова:

ЭЛЕКРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ЭКРАН, ЛИНИЯ СВЯЗИ

Представим что существует источник излучения и приемник, наиболее эффективной передачей энергии которого является согласование волн сопротивления связи с нагрузкой. Наиболее оптимальным режимом, является режим при котором сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению. Причем нагрузка имеет «чисто активные» характеристики [4]. В этом случае вся излучаемая энергия поступает на нагрузку.

Как правило различают подающую и отраженную волну, при этом вводят следующие понятия:

- коэффициент отражения по напряжению (Рц);

- коэффициент отражения по току (Р[). Z„-P „ P-Zн

- затухание, определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передачи по линиям сигналов определенной частоты

- помехоустойчивость линии, определяет её способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде;

- модуляция, называется изменение по заданному закону параметров какого либо физического процесса;

- пропускная способность, характеризуется максимальной возможностью скорости передачи данных по линиям связи;

Р = -

Р Zn + P'

Р =

р + гИ'

где Zн — комплексное сопротивление нагрузки.

Если линия связи нагружена, и при этом активное сопротивление равно волновому, то коэффициент отражения равен нулю (Ри = 0,Р1 = 0) [1]. Если канал связи замкнут накоротко, то значение коэффициента по напряжению равно минус 1 (Р = -1), а коэффициента по току равен 1 (Р1 = 1) [1]. Фаза волны напряжения изменяется на обратное, при этом напряжение равно нулю, а ток удваивает свое значение (режущая стоячей волны). Для характеристик каналов связей вводиться понятия коэффициента бегущей волны и коэффициента стоячей волны.

Коэффициент бегущей волны (КБВ) — отношение наименьшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля бегущей волны в линии передачи к наибольшему [2].

Коэффициент стоячей волны (КСВ) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённо-

сти электрического или магнитного поля стоячей

[2]. на

волны в линии передачи к наименьшему Физическая среда является основой, строятся физические средства соединения

которой [4]. Сопряжение с физическими средствами соединения посредством физической среды обеспечивает физический уровень. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц. На физическом уровне находится носитель, по которому передаются данные. Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии. Хотя физические кабели являются наиболее распространенными носителями для сетевых коммуникаций, беспроводные технологии все более внедряются благодаря их способности связывать глобальные сети [4]. В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются:

- проводные (воздушные);

- кабельные (оптико-волоконные и медные);

- радиоканальные (наземные).

Сигналом называется физический процесс параметры которого содержат информацию [2]. К основным характеристикам линий связи относятся:

- амплитудно-частотная характеристика, показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению со входом;

- полоса пропускания, это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый предел;

Рисунок 1 - Полосы пропускания линий связи и частотные диапазоны

Большинство способов кодирования используют изменение как параметров периодического сигнала частоты амплитуды и фазы синусоиды так и потенциальной последовательности импульсов, количество изменений информационных параметров несущего периодического сигнала в секунду измерения [2]. Пропускная способность в общем случае не совпадает с числом бит несущей информации. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в этом случае будет выше чем число бит. При использовании сигналов с двумя различными состояниями наблюдается совершенно обратный процесс.

Логическое кодирование выполняется до физического кодирования подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит несущих ту же информацию, но обладающей кроме того дополнительными свойствами. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности, это пример довольно частого применяемого способа кодирования информации [2].

Помехоустойчивость линии определяется её способностью уменьшать уровень помех созданных во внешней среде на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа использования физической среды. Перекрестные наводки на ближнем фоне определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Достоверность передачи данных характеризуют вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных